第一章激光基本原理備課講稿

激光原理與技術(shù)樊叔維

西安交通大學(xué)電子與信息工程學(xué)院TelNo.:82668781E-mail:shwfan@

2/2/20251緒論第一章激光基本原理第二章光學(xué)諧振腔與高斯光束第三章電磁場(chǎng)與物質(zhì)的相互作用第四章激光振蕩特性第五章激光器特性的控制與改善激光原理與技術(shù)2/2/20252第一章激光基本原理光的波粒二象性光源的相干性光波模式與光子態(tài)受激輻射基本概念激光器基本知識(shí)2/2/20253光的波粒二象性光波光子2/2/20254光速、頻率和波長(zhǎng)三者的關(guān)系

波長(zhǎng):振動(dòng)狀態(tài)在經(jīng)歷一個(gè)周期的時(shí)間內(nèi)向前傳播的距離。光速：頻率和周期：光矢量每秒鐘振動(dòng)的次數(shù)，頻率和周期互為倒數(shù)電磁波譜光的波粒二象性—光波2/2/20256三者的關(guān)系：在真空中：各種介質(zhì)中傳播時(shí)，保持其原有頻率不變，而速度各不相同：波線：沿波的傳播方向作的一些帶箭頭的線。波線的指向表示波的傳播方向。波陣面：在光波場(chǎng)中，光波相位相同的空間各點(diǎn)構(gòu)成的面稱為波陣面，或等相位面，簡(jiǎn)稱波面。波前：在任何時(shí)刻，波面有無數(shù)多個(gè)，最前方的波面即是波前。波前只有一個(gè)。波面與波線光的波粒二象性—光波2/2/20257球面波：波面為球面平面波:波面為平面單色平面波：具有單一頻率的平面波準(zhǔn)單色波:實(shí)際上不存在完全單色的光波，總有一定的頻率寬度，如果滿足稱為準(zhǔn)單色波。波線波陣面波線波陣面光的波粒二象性—光波2/2/20258理想的單色平面波（簡(jiǎn)諧波）設(shè)真空中電磁波的電矢量在坐標(biāo)原點(diǎn)沿x方向作簡(jiǎn)諧振動(dòng)，磁矢量在y方向作簡(jiǎn)諧振動(dòng)，頻率均為，且t=0時(shí)兩者的初位相均為零。則、的振動(dòng)方程分別為:兩式統(tǒng)一寫為：其中，U為場(chǎng)矢量大小，代表或的大小，U0為場(chǎng)矢量的振幅。波場(chǎng)中z軸上任一點(diǎn)P的振動(dòng)方程，設(shè)光波以速度c向z方向傳播：光的波粒二象性—光波2/2/20259振動(dòng)方程：簡(jiǎn)諧波是具有單一頻率

的單色波，但通常原子發(fā)光的時(shí)間約為10－8s，形成的波列長(zhǎng)度約等于3m，因此它的波列長(zhǎng)度有限即必然有一定的頻率寬度。分析：a)z一定時(shí)，則U代表場(chǎng)矢量在該點(diǎn)作時(shí)間上的周期振動(dòng)；b)t一定時(shí)，則U代表場(chǎng)矢量隨位置的不同作空間的周期變化；c)z、t同時(shí)變化時(shí)，則U代表一個(gè)行波方程，代表不同時(shí)刻空間各點(diǎn)的振動(dòng)狀態(tài)。從下式可看出，光波具有時(shí)間周期性和空間周期性。時(shí)間周期為T，空間周期為

；時(shí)間頻率為1/T，空間頻率為1/：波矢的大?。臻g角頻率）：光的波粒二象性—光波2/2/202510平面波的復(fù)數(shù)表示法線偏振的單色平面波的復(fù)數(shù)表示：或復(fù)振幅:

模量代表振幅在空間的分布：輻角(-kz)代表位相在空間的分布

光強(qiáng)：光強(qiáng)與光矢量大小的平方成正比，即光的波粒二象性—光波2/2/202511Planck'sconstanth=6.626*10-34[Joule-sec]光子的能量與光波頻率之間的關(guān)系：光子具有運(yùn)動(dòng)質(zhì)量m:光子的動(dòng)量P:光子具有兩種獨(dú)立的偏振狀態(tài)光子的集合服從玻色－愛因斯坦統(tǒng)計(jì)規(guī)律光子光的波粒二象性—光子2/2/202512第一章激光基本原理光的波粒二象性光源的相干性光波模式與光子態(tài)受激輻射基本概念激光器基本知識(shí)2/2/202513光源的相干性相干性時(shí)間相干性空間相干性2/2/202514光源的相干性

不同時(shí)刻或不同空間位置的光場(chǎng)之間的相關(guān)性。若兩束光在空間某一點(diǎn)疊加，若可以形成干涉條紋，則兩束光相干，否則為非相干光；相干性時(shí)間相干性空間相干性ABCDS光源S的光場(chǎng)中,時(shí)間、空間相干性的關(guān)系2/2/202515光源的相干性2/2/202516經(jīng)傅立葉變換，可以得到光源頻譜：光傳播方向上，任一點(diǎn)光場(chǎng)可以表示為：時(shí)間相干性某一空間點(diǎn)在不同時(shí)刻光波場(chǎng)之間的相干性；（原子發(fā)光波列持續(xù)的時(shí)間）光源的相干性--時(shí)間相干性示波器上觀察(時(shí)域）光譜分析儀上觀察(頻域）2/2/202517結(jié)論相干時(shí)間越長(zhǎng)，譜線線寬越窄；單色性越好，相干性越好；頻譜線寬光源頻譜圖

0

oII0I0/2

譜線寬度光源的相干性--時(shí)間相干性2/2/202518激光光源的單色性實(shí)際情況理論激光輻射帶寬光源的相干性--時(shí)間相干性2/2/202519光源的相干性--時(shí)間相干性2/2/202520光源的空間相干性

橫向空間相干性在垂直于光傳播方向的平面上不同空間點(diǎn)光波場(chǎng)之間的相干性某一時(shí)刻不同空間點(diǎn)光波場(chǎng)之間的相干性:縱向相干性橫向相干性相干長(zhǎng)度、相干時(shí)間、頻譜線寬的關(guān)系：

縱向空間相干性（原子發(fā)光的波列持續(xù)的長(zhǎng)度）光源的相干性—空間相干性2/2/202521楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)*光源

光源光源的相干性—空間相干性2/2/202522托馬斯·楊像ThomasYoung(1773-1829)光源的相干性—空間相干性2/2/202523英國(guó)醫(yī)生兼物理學(xué)家.于1801年首先成功地進(jìn)行了光干涉實(shí)驗(yàn).證實(shí)了光的波動(dòng)理論。托馬斯.楊從小聰慧過人，博覽群書，17歲時(shí)就已精讀過牛頓的力學(xué)和光學(xué)。因牛頓反對(duì)波動(dòng)說，并且當(dāng)時(shí)光的波動(dòng)理論本身還存在許多不足之處。所以光的微粒說在百年中占了上風(fēng)。楊的理論在當(dāng)時(shí)沒有得到公正的評(píng)價(jià)，直到法國(guó)物理學(xué)家菲涅爾用嚴(yán)密的數(shù)學(xué)理論將楊的干涉原理和惠更斯原理結(jié)合起來，托馬斯.楊的理論的重要性才為人們所理解。面對(duì)牛頓如日中天的氣勢(shì)，楊勇敢地說：“盡管我仰慕牛頓的大名，但我并非因此得認(rèn)為他是百無一失的。我遺憾地看到他也會(huì)弄錯(cuò)，而他的權(quán)威也許有時(shí)甚至阻礙了科學(xué)的進(jìn)步?！蓖旭R斯.楊簡(jiǎn)介2/2/202524光源的相干性—空間相干性2/2/202525光源的時(shí)間、空間相干性2/2/202526橫向空間相干性楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)示意圖由光源S照明的雙縫P具有明顯的相干性的條件為：可以證明，當(dāng)D>>a+b時(shí)，有：及光源的相干性—橫向空間相干性2/2/202527令：可以得到：

光源的相干面積：結(jié)論：當(dāng)光源面積一定時(shí)，距光源D處，在與光的傳播方向垂直的、面積小于：的平面范圍內(nèi)的光場(chǎng)具有相干性，稱為相干面積光源的相干性—橫向空間相干性ASAc

2/2/202528相干體積定義：相干面積與相干長(zhǎng)度的乘積為相干體積，即：光源的相干體積：由：可以得到：光源的相干性—橫向空間相干性2/2/202529第一章激光基本原理光的波粒二象性光源的相干性光波模式與光子態(tài)受激輻射基本概念激光器基本知識(shí)2/2/202530光波模式與光子態(tài)光波模式光子態(tài)

光波模式和光子態(tài)的等價(jià)關(guān)系光波模式、光子態(tài)與相干性的關(guān)系2/2/202531光波模式

單色平面波：存在諧振腔內(nèi)的一系列獨(dú)立的具有特定波矢k的平面單色駐波，稱為光波的模式；光波模式概念光波模式與光子態(tài)–光波模式一種模式是電磁波運(yùn)動(dòng)的一種類型，不同模式以不同的k區(qū)分。同時(shí)，考慮到電磁波的兩種獨(dú)立的偏振，同一波矢k對(duì)應(yīng)著兩個(gè)具有不同偏振方向的模式。2/2/202532一維腔體內(nèi)的光波模數(shù)：長(zhǎng)度為L(zhǎng)滿足駐波的條件：在k

空間模密度為：π/L在波矢平面內(nèi)，波矢長(zhǎng)度在范圍內(nèi)的總的模數(shù)為：?jiǎn)挝活l寬、單位腔長(zhǎng)模密度為2/2/202533考慮二維腔體內(nèi)的光波模數(shù)：長(zhǎng)度為L(zhǎng)的正方形滿足駐波的條件：L在k

空間模密度為：（π/L）2在波矢平面內(nèi)，波矢半徑在范圍內(nèi)的總的模數(shù)為：光波模式與光子態(tài)–光波模式2/2/202534單位頻寬、單位腔面積的模密度為2/2/202535求解體積V內(nèi)的模式數(shù)目在體積內(nèi)，沿三個(gè)坐標(biāo)軸方向傳播的波應(yīng)分別滿足駐波條件：

其中，m,n,q為非負(fù)整數(shù)且不全為零波矢k的三個(gè)分量應(yīng)滿足：2/2/202536每個(gè)波矢在波矢空間占據(jù)體積元：在波矢空間中，每一波矢在三個(gè)坐標(biāo)軸方向與相鄰波矢的間隔為：波矢空間內(nèi)，數(shù)值大小在k~k+dk內(nèi)的光波矢所占的體積為：光波模式與光子態(tài)–光波模式2/2/202537

每個(gè)光波矢在波矢空間所占有的體積元在此體積內(nèi)，光波矢量模數(shù)為：式中：由于因此，空腔體積V內(nèi)，處于頻率內(nèi)的波矢數(shù)為：光波模式數(shù)為：k~k+dk區(qū)間內(nèi)的光波矢量在波矢空間所占的體積光波模式與光子態(tài)–光波模式2/2/202538光波模式與光子態(tài)光波模式光子態(tài)

光波模式和光子態(tài)的等價(jià)關(guān)系光波模式、光子態(tài)與相干性的關(guān)系2/2/202539光子態(tài)

測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系：

一維運(yùn)動(dòng)情況：三維運(yùn)動(dòng)情況：相格：同一個(gè)光子態(tài)占有的相空間體積元為：光波模式與光子態(tài)–光子態(tài)相空間：光子的狀態(tài)可以用它的坐標(biāo)和動(dòng)量來描述。用廣義笛卡兒坐標(biāo)x,y,z,Px,Py,Pz所支撐的六維空間來描述質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。這種六維空間稱為相空間。2/2/202540一個(gè)所相格占有的空間體積為：結(jié)論：同一相格中的光子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無法區(qū)分，它們屬于同一光子態(tài)。相格是相空間中用任何實(shí)驗(yàn)所能分辨的最小尺度。光子的某一運(yùn)動(dòng)狀態(tài)只能定域在一個(gè)相格中，但不能確定它在相格內(nèi)部的對(duì)應(yīng)位置。因此微觀粒子和宏觀質(zhì)點(diǎn)不同，它的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)在相空間中不是對(duì)應(yīng)一點(diǎn)而是對(duì)應(yīng)一個(gè)相格。這表明微觀粒子運(yùn)動(dòng)的不連續(xù)性2/2/202541光子態(tài)與光波模式的等價(jià)關(guān)系則每個(gè)光波模式在軸上的線度為：由光子動(dòng)量與光波矢量間的關(guān)系：可以得到，每個(gè)波矢量在相空間沿軸方向的線度為：每個(gè)波矢在波矢空間占據(jù)體積元：結(jié)論：一個(gè)光波模式

一個(gè)光子態(tài)。2/2/202542光子態(tài)與光波模式的相干性設(shè)在立體角內(nèi)的光子可產(chǎn)生相干，則：很小時(shí)，揚(yáng)氏雙縫干涉則：2/2/202543光子態(tài)、光波模式、相干性的關(guān)系

屬于同一光波模式的光波以及同一光子態(tài)的光子在三維的空間坐標(biāo)系中所占的體積是相等的，等于光源的相干體積

屬于同一光波模式的光波或同一光子態(tài)的光子是相干的，屬于不同光波模式的光波或不同光子態(tài)的光子是不相干的2/2/202544具有相干性的光波場(chǎng)的強(qiáng)度（相干光強(qiáng)）在相干光的技術(shù)應(yīng)用中，是一個(gè)重要的參量。光子簡(jiǎn)并度與強(qiáng)度一個(gè)好的相干光源，應(yīng)具有：盡可能高的相干光強(qiáng)10、縮小光源線度足夠大的相干面積足夠長(zhǎng)的相干時(shí)間增大相干面積和相干時(shí)間的方法：20、加光闌以減小

x30、遠(yuǎn)離光源等辦法相干光強(qiáng)減小。出現(xiàn)問題：2/2/202545光子簡(jiǎn)并度與強(qiáng)度光子的能量：具有相同頻率（波矢）的光子數(shù)目越多，則光的能量越大，光的強(qiáng)度越強(qiáng)。處于同一光子態(tài)的光子的數(shù)目稱為光子簡(jiǎn)并度。光子簡(jiǎn)并度越大，同一光子態(tài)的光的能量越大光子的簡(jiǎn)并度光的強(qiáng)度：其中：n是頻率為v的光子密度2/2/202546=同一光子態(tài)光子個(gè)數(shù)=處于相干體積內(nèi)的光子數(shù)=處于同一相格內(nèi)的光子數(shù)。=同一模式內(nèi)的光子數(shù)光子簡(jiǎn)并度光子簡(jiǎn)并度與強(qiáng)度相干光強(qiáng)是描述光的相干性的重要參量之一。光子簡(jiǎn)并度決定了相干光的強(qiáng)度2/2/202547第一章激光基本原理光的波粒二象性光源的相干性光波模式與光子態(tài)受激輻射基本概念激光器基本知識(shí)2/2/202548光的受激輻射基本概念黑體輻射的普朗克公式自發(fā)輻射、受激輻射、受激吸收愛因斯坦系數(shù)之間的關(guān)系2/2/202549受激輻射基本概念--黑體輻射的普朗克公式黑體能全部吸收各種波長(zhǎng)的輻射能而不發(fā)生反射，折射和透射的物體稱為絕對(duì)黑體。簡(jiǎn)稱黑體

絕對(duì)黑體模型黑體輻射處于某一溫度T的熱平衡狀態(tài)下的黑體，它所吸收的能量應(yīng)該等于它所輻射的能量，即黑體與輻射場(chǎng)之間應(yīng)處于能量的熱平衡狀態(tài)，這種熱平衡導(dǎo)致腔內(nèi)存在完全確定的輻射場(chǎng)，該種輻射場(chǎng)稱為黑體輻射2/2/202550受激輻射基本概念--黑體輻射的普朗克公式維恩經(jīng)驗(yàn)公式:問題：如何從理論上找到符合實(shí)驗(yàn)曲線的函數(shù)式:瑞利--金斯經(jīng)驗(yàn)公式:“紫外災(zāi)難”維恩公式和瑞利-金斯公式明顯地暴露了經(jīng)典物理學(xué)的缺陷。黑體輻射實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)晴朗天空中一朵令人不安的烏云。2/2/202551受激輻射基本概念--黑體輻射的普朗克公式o實(shí)驗(yàn)值/μm維恩線瑞利--金斯線紫外災(zāi)難普朗克線123456782/2/202552受激輻射基本概念--黑體輻射的普朗克公式普朗克將適用于短波的維恩公式和適用于長(zhǎng)波的瑞利-金斯公式結(jié)合起來，并提出諧振子的能量的量子化，得到了普朗克公式。能量子假說：1.輻射黑體分子、原子的振動(dòng)可看作諧振子，這些諧振子可以發(fā)射和吸收輻射能。2.這些諧振子的能量不能連續(xù)變化，只能取一些分立值，這些分立值是某一最小能量ε（稱為能量子）的整數(shù)倍，即：ε,1ε,2ε,3ε,...nε.n為正整數(shù)，稱為量子數(shù)。

對(duì)于頻率為ν的諧振子最小能量為：能量量子經(jīng)典2/2/202553受激輻射基本概念--黑體輻射的普朗克公式黑體輻射的普朗克公式單色輻射能量密度：輻射場(chǎng)中單位體積內(nèi)，頻率在附近的單位頻率間隔中的輻射能量:玻爾茲曼常數(shù)根據(jù)普朗克的輻射能量量子化假說，在溫度為T的熱平衡狀態(tài)下，黑體輻射分配到腔內(nèi)每個(gè)模式上的平均能量為：絕對(duì)黑體模型2/2/202554光波模式數(shù)為：?jiǎn)紊Ｃ芏龋汉隗w輻射的單色能量密度：黑體輻射的普朗克公式總輻射能量密度:受激輻射基本概念--黑體輻射的普朗克公式光子的能量模密度每個(gè)模的平均光子數(shù)2/2/2025551、普通光源的簡(jiǎn)并度單色模密度：黑體輻射的單色能量密度：每種模式的平均光子數(shù)：如：=1m,T=300K時(shí)，=1m,T=3000K時(shí)，受激輻射基本概念--黑體輻射的普朗克公式2/2/202556=1m：則T>20000K！2、激光的簡(jiǎn)并度如：He—Ne激光器，設(shè)其單模發(fā)射功率P=1mW,c=1.310-4s由上式可得：到目前為止還沒有發(fā)現(xiàn)的普通光源

=0.5m,T=3000K時(shí)，受激輻射基本概念--黑體輻射的普朗克公式2/2/202557原子的玻耳模型受激輻射基本概念--原子的玻耳模型2/2/202558光的受激輻射基本概念黑體輻射的普朗克公式自發(fā)輻射、受激輻射、受激吸收愛因斯坦系數(shù)之間的關(guān)系2/2/202559自發(fā)輻射、受激輻射、受激吸收--自發(fā)輻射愛因斯坦從光量子概念出發(fā)提出，黑體輻射，實(shí)際上是輻射場(chǎng)和構(gòu)成黑體的物質(zhì)原子相互作用的結(jié)果這種相互作用應(yīng)包含原子的自發(fā)輻射、受激輻射、受激吸收處于高能級(jí)E2的原子自發(fā)地向E1躍遷，并發(fā)射一個(gè)能量為的光子的過程；自發(fā)輻射hnE2E1特點(diǎn)：原子的躍遷是自發(fā)的、獨(dú)立的，與外界作用無關(guān)；光的振動(dòng)方向、偏振方向、相位都不一定相同，為非相干光;2/2/202560

自發(fā)躍輻射遷幾率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)個(gè)高能態(tài)原子中自發(fā)躍遷的原子數(shù)與的比值，表示為：與原子在能級(jí)上的平均壽命的關(guān)系；平均壽命

：E2能級(jí)上的粒子密度因自發(fā)輻射衰減至t=0時(shí)刻的1/e所用的時(shí)間為E2能級(jí)的平均壽命.自發(fā)躍遷愛因斯坦系數(shù)自發(fā)輻射、受激輻射、受激吸收--自發(fā)輻射2/2/202561與原子在能級(jí)上的平均壽命的關(guān)系；由此可得：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)能級(jí)E2所減少的粒子數(shù)為平均壽命

：E2能級(jí)上的粒子密度因自發(fā)輻射衰減至t=0時(shí)刻的1/e所用的時(shí)間為E2能級(jí)的平均壽命.則由：自發(fā)躍遷愛因斯坦系數(shù)自發(fā)輻射、受激輻射、受激吸收--自發(fā)輻射2/2/202562

受激吸收受激吸收幾率：受激吸收與輻射場(chǎng)的關(guān)系：受激吸收愛因斯坦系數(shù)處于低能態(tài)E1的原子吸收能量為hv=E2-E1的光子，從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)E2的過程稱為受激吸收。hnE2E1特點(diǎn)：不是自發(fā)產(chǎn)生的，必須有外來光子的“刺激”才會(huì)產(chǎn)生外來光子必須符合hv=E2-E1的條件。自發(fā)輻射、受激輻射、受激吸收--受激吸收

2/2/202563受激輻射

原子因受外來光子的刺激而從高能級(jí)狀態(tài)向低能級(jí)狀態(tài)躍遷并輻射光子的過程，稱為受激輻射。hnE2E1hnhn特征：不是自發(fā)產(chǎn)生的，必須有外來光子的刺激，且外來光子的頻率必須滿足hv=E2-E1的條件；受激輻射出的光子與外來刺激的光子在頻率、發(fā)射方向、相位及偏振狀態(tài)等方面完全相同，為相干光；自發(fā)輻射、受激輻射、受激吸收--受激輻射

2/2/202564受激輻射愛因斯坦系數(shù)受激輻射躍遷的幾率：受激輻射躍遷與輻射場(chǎng)的關(guān)系：在一個(gè)入射光子的作用下，獲得大量的狀態(tài)完全相同的光子，即形成了光放大。自發(fā)輻射、受激輻射、受激吸收--受激輻射

2/2/202565激勵(lì)受激輻射自發(fā)輻射受激輻射的相干性自發(fā)輻射、受激輻射、受激吸收--受激輻射

2/2/202566在熱平衡狀態(tài)的標(biāo)志：

輻射場(chǎng)可表示為：

腔內(nèi)原子數(shù)按照能級(jí)分布服從熱平衡下的波爾茲曼分布：

在熱平衡狀態(tài)下，n1（n2）應(yīng)保持不變：

愛因斯坦系數(shù)之間的關(guān)系2/2/202567或：

由上面三式，可以得到：得到：

及：愛因斯坦系數(shù)之間的關(guān)系2/2/202568自發(fā)輻射光功率與受激輻射光功率受激輻射光功率體密度與自發(fā)輻射光功率體密度之比為：某時(shí)刻自發(fā)輻射的光功率體密度:同理，受激輻射的光功率體密度:對(duì)于平衡熱輻射光源:則有：2/2/202569以溫度T=3000K的熱輻射光源，發(fā)射的波長(zhǎng)為500nm例：普通光源在紅外和可見光波段為非相干光源若要獲得單色光源，須提高單色能量密度:打破熱平衡；采用諧振腔若在處，使要求黑體溫度達(dá)50000K.自發(fā)輻射光功率與受激輻射光功率2/2/202570第一章激光基本原理光的波粒二象性光源的相干性光波模式與光子態(tài)受激輻射基本概念激光器基本知識(shí)2/2/202571激光基本知識(shí)激光產(chǎn)生的基本原理激光產(chǎn)生的必要條件激光器結(jié)構(gòu)激活粒子的能級(jí)系統(tǒng)2/2/202572

激光產(chǎn)生的基本原理激光是通過受激輻射實(shí)現(xiàn)光放大，即要使受激輻射超過吸收和自發(fā)輻射.在常溫條件，且對(duì)激活物質(zhì)無激勵(lì)的情況下,粒子分布服從玻爾茲曼能量分布律:

熱動(dòng)平衡下，N2N1，即處于高能級(jí)的原子數(shù)大大少于低能級(jí)的原子數(shù)——粒子數(shù)的正常分布.受激輻射占支配地位

粒子數(shù)反轉(zhuǎn)高能級(jí)上的粒子數(shù)超過低能級(jí)上的粒子數(shù)受激輻射產(chǎn)生大量相干的光子，形成激光。2/2/202573實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的條件：

要有實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的物質(zhì)，這種物質(zhì)具有適當(dāng)?shù)哪芗?jí)結(jié)構(gòu)；

必須從外界輸入能量（激勵(lì)或泵浦），使工作物質(zhì)中盡可能多的粒子處于激發(fā)態(tài)。激勵(lì)方法：光激勵(lì)、電激勵(lì)、化學(xué)激勵(lì)工作物質(zhì)的能級(jí)結(jié)構(gòu)：具有亞穩(wěn)態(tài)(壽命較長(zhǎng))只有具有亞穩(wěn)態(tài)的工作物質(zhì)才能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)激光產(chǎn)生的必要條件－粒子數(shù)反轉(zhuǎn)2/2/202574

正常粒子狀態(tài)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)正常粒子狀態(tài)與粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)對(duì)比示意圖激光產(chǎn)生的必要條件－粒子數(shù)反轉(zhuǎn)2/2/202575

激光器基本結(jié)構(gòu)示意圖激光工作物質(zhì)、激勵(lì)源、光學(xué)諧振腔、輸出耦合激光器結(jié)構(gòu)2/2/202576激光工作物質(zhì)激活粒子可以為分子、原子、離子等；按照激光器類型的不同，激活物質(zhì)可以為液體、氣體、固體、等離子體形態(tài)；通過激勵(lì)，激活物質(zhì)可以處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)；并且可通過受激輻射產(chǎn)生電磁輻射；激活物質(zhì)決定了激光器可能發(fā)射的波長(zhǎng)激活物質(zhì)以及為激活物質(zhì)提供寄存場(chǎng)所的基質(zhì)統(tǒng)稱為激光的工作物質(zhì)激光器結(jié)構(gòu)2/2/202577激勵(lì)源（泵浦源）

激勵(lì)源提供能量給激活物質(zhì)，使之達(dá)到激發(fā)態(tài)并實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。主要激勵(lì)方法：光泵浦一般用于固體及液體激光器的泵浦光泵浦：普通光源，如氙燈、氪等、氦燈另外的激光器光源氣體放電激勵(lì):氣體放電激勵(lì)一般用于氣體激活物質(zhì)化學(xué)激勵(lì)二極管激光器的電流激勵(lì)激光器結(jié)構(gòu)2/2/202578激光二極管直接端面泵浦示意圖側(cè)面泵浦二極管泵浦固體激光器激光器結(jié)構(gòu)2/2/202579側(cè)面泵浦激光棒示意圖激光器結(jié)構(gòu)2/2/202580光學(xué)諧振腔輸出耦合輸出耦合是使電磁輻射輸出激光器的方法光學(xué)諧振腔的作用：1.使激光具有極好的方向性（沿軸線）；2.增強(qiáng)光放大作用（延長(zhǎng)了工作物質(zhì)）；3.使激光具有極好的單色性（選頻）。激光光束全反射鏡部分透光反射鏡激勵(lì)能源激光器結(jié)構(gòu)2/2/202581

三能級(jí)系統(tǒng)下能級(jí)：E1

亞穩(wěn)態(tài)：E2

暫穩(wěn)態(tài)：E3E3E1E2抽運(yùn)激勵(lì)E1與E3構(gòu)成一個(gè)寬吸收帶，經(jīng)泵浦，粒子由E1躍遷到E3E3上的原子無輻射躍遷到E2W21W12A21E2與E1之間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)三能級(jí)激光系統(tǒng)能級(jí)圖示意圖激活粒子的能級(jí)系統(tǒng)2/2/202582四能級(jí)系統(tǒng)

亞穩(wěn)態(tài)：E2

下能級(jí)：E1暫穩(wěn)態(tài)：E3基態(tài)：E0

四能級(jí)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)：極易形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)四能級(jí)激光系統(tǒng)能級(jí)圖示意圖W21W12A21E0E3E2E1激勵(lì)抽運(yùn)激活粒子的能級(jí)系統(tǒng)2/2/202583四能級(jí)系統(tǒng)較三能級(jí)系統(tǒng)之不同：三能級(jí)系統(tǒng)的下能級(jí)為基態(tài)；四能級(jí)系統(tǒng)的下能級(jí)為基態(tài)上的一個(gè)能級(jí)；具有四能級(jí)系統(tǒng)的激光器較具有三能級(jí)系統(tǒng)的激光器的優(yōu)勢(shì)：效率高；所需的泵浦等級(jí)低；可能實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)行；激活粒子的能級(jí)系統(tǒng)2/2/202584固體激光器氣體激光器半導(dǎo)體激光器染料激光器化學(xué)激光器光纖激光器自由電子激光器典型激光器2/2/202585激光器的分類激勵(lì)方式工作物質(zhì)工作方式輸出波長(zhǎng)氣體激光器固體激光器半導(dǎo)體激光器液體激光器自由電子激光器………….紅外可見光近紫外真空紫外X光……….連續(xù)激光器脈沖激光器重復(fù)脈沖激光器模式可調(diào)激光器………..光激勵(lì)電激勵(lì)化學(xué)激光器……….典型激光器2/2/202586固體激光器

固體激光器以絕緣晶體或玻璃為工作物質(zhì)，其泵浦方式普遍采用光泵激勵(lì).具有結(jié)構(gòu)緊湊、堅(jiān)固耐用、工作方式多樣的特點(diǎn)（可在連續(xù)、脈沖、調(diào)Q、鎖模下工作）氣體放電燈激勵(lì)：氙燈、氪燈、碘鎢燈放電燈的發(fā)射光譜覆蓋很寬的波長(zhǎng)范圍，其中只有與激光工作物質(zhì)吸收波長(zhǎng)相匹配的波段才可以有效的用于光激勵(lì)，因此效率很低。半導(dǎo)體激光二極管激勵(lì)：端面泵浦、側(cè)面泵浦1轉(zhuǎn)換效率高2性能可靠、壽命長(zhǎng)、穩(wěn)定性好3輸出光束質(zhì)量好：高的泵浦效率，減少了熱透鏡效應(yīng)；典型激光器--固體激光器2/2/202587泵浦系統(tǒng)包括泵燈（常用氙燈和氪燈）和聚光器（或稱泵浦腔）兩部分組成，儲(chǔ)能電容和高壓充電電源供給氙燈電能，觸發(fā)電路的作用是產(chǎn)生上萬伏的高壓，幫助點(diǎn)燃氙燈。氣體放電燈激勵(lì)固體激光器示意圖典型激光器--固體激光器2/2/202588激光二極管直接端面泵浦示意圖典型激光器--固體激光器2/2/202589側(cè)面泵浦二極管泵浦固體激光器2/2/202590側(cè)面泵浦激光棒示意圖典型激光器--固體激光器2/2/202591

工作物質(zhì)紅寶石激光器以摻雜離子型絕緣晶體紅寶石棒為工作物質(zhì)。紅寶石激光晶體是以剛玉單晶為基質(zhì)，摻入金屬鉻離子Cr+3為激活粒子所組成的晶體激光材料。呈淡紅色。紅寶石激光器紅寶石激光器是世界上最早實(shí)現(xiàn)激光輸出的器件，輸出波長(zhǎng)為694.3nm（紅光），具有輸出功率大、峰值功率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，目前主要在激光測(cè)距、材料加工、光譜學(xué)等方面應(yīng)用。

能及系統(tǒng)：三能級(jí)典型激光器--固體激光器2/2/202592紅寶石激光器典型激光器--固體激光器2/2/202593紅寶石激光器的能級(jí)激勵(lì)方式：光激勵(lì)一般采用發(fā)光效率較高的脈沖氙燈。在紅寶石晶體中，Cr+3的吸收帶有兩個(gè)，分別在410nm和560nm波長(zhǎng)附近，吸收帶寬度約為100nm波長(zhǎng)左右。綠光藍(lán)光激勵(lì)694.3nm692.7nmE3E2E1典型激光器--固體激光器2/2/202594第一臺(tái)紅寶石結(jié)構(gòu)示意圖典型激光器--固體激光器2/2/202595典型激光器--固體激光器2/2/202596紅寶石突出的缺點(diǎn)是閾值高；性能易隨溫度變化；機(jī)械強(qiáng)度高,能承受很高的激光功率密度;容易生長(zhǎng)成較大尺寸;亞穩(wěn)態(tài)壽命長(zhǎng),儲(chǔ)能大,可得到大能量輸出;紅寶石激光器輸出的紅光(0.6943um),不僅能為人眼可見,而且很容易被探測(cè)接收(目前大多數(shù)光電元件和照相乳膠對(duì)紅光的感應(yīng)靈敏度較高)。因此,紅寶石仍屬一種優(yōu)良的工作物質(zhì)而得到廣泛應(yīng)用。用紅寶石制成的大尺寸單脈沖器件輸出能量已達(dá)上千焦耳。紅寶石在激光發(fā)展上是貢獻(xiàn)比較大的一種晶體紅寶石工作物質(zhì)的特點(diǎn)：2/2/202597釹激光器工作物質(zhì)為在基質(zhì)中摻入少量Nd+3

離子做為激活離子三種發(fā)展較為成熟的基質(zhì)：

玻璃（Glass）：可作為大功率脈沖激光器的激活物質(zhì)的基質(zhì)

釔鋁石榴石（YAG：YttriumAluminumGarnet)晶體氟化釔鋰（YLF：LiYF4)晶體以Nd+3

離子為激活離子的釹激光器是應(yīng)用最為廣泛的激光器（在激光制導(dǎo)、激光測(cè)距、材料加工、激光生物學(xué)、激光核聚變等領(lǐng)域）。釹激光器工作物質(zhì)典型激光器--固體激光器2/2/202598釹玻璃工作物質(zhì)的特點(diǎn)：釹玻璃激光器的工作物質(zhì)質(zhì)優(yōu)、價(jià)廉;易于加工成光學(xué)性能優(yōu)良的所需要的大尺寸的盤狀或棒狀（直徑可大0.5m，長(zhǎng)度達(dá)幾米）可用來制成特大能量的激光器。小的可以做成直徑僅幾微米的玻璃纖維,用于集成光路中的光放大或振蕩。

Nd3+在硅酸鹽、棚酸鹽和磷酸鹽玻璃系統(tǒng)用得最多;釹玻璃激光器多模輸出，易于作成鎖模激光器Nd3+的濃度為3×1020/cm3釹玻璃熱導(dǎo)率低，振蕩閾值較高，因此不宜于連續(xù)和高重復(fù)率運(yùn)轉(zhuǎn),在應(yīng)用時(shí)要特別注意防止工作物質(zhì)本身的破壞;典型激光器--固體激光器2/2/202599釹玻璃工作物質(zhì)：典型激光器--固體激光器2/2/2025100摻釹釔鋁石榴石晶體(Nd3+:YAG)

激光器工作物質(zhì)摻釹釔鋁石榴石晶體特點(diǎn)1.熱傳導(dǎo)率遠(yuǎn)高于摻釹玻璃，振蕩閾值較低，適于連續(xù)工作；2.Nd3+的密度可達(dá)1.38×1020cm-3,顏色為淡紫色3.熔點(diǎn)較高，為1970℃，能承受較高的輻射功率4.熒光量子效率高，一般大于0.995，接近1，是目前固體激光器中較理想的工作物質(zhì)。5.摻釹釔鋁石榴石晶體加工質(zhì)量要求極高，可以達(dá)到的尺寸是直徑大約2-15mm、長(zhǎng)度大約

2-30cm；6.釹釔鋁石榴石晶體的成本極高，原于它極其緩慢、復(fù)雜的生長(zhǎng)過程；能級(jí)系統(tǒng)：四能級(jí)典型激光器--固體激光器Nd3+:YAG的激活離子為Nd3+,基質(zhì)是YAG晶體(釔鋁石榴石晶體Y3Al5O12的簡(jiǎn)稱)2/2/2025101摻釹釔鋁石榴石晶體激光器工作物質(zhì)典型激光器--固體激光器摻釹釔鋁石榴石（Nd：YAG）

2/2/2025102Nd+3：YAG晶體中，Nd+3吸收帶分別在525nm、585nm、730nm、810nm和870nm附近。每個(gè)帶寬約為30nm，其中730nm和810nm兩個(gè)吸收帶最為重要。YAG激光器多采用連續(xù)氪燈或碘鎢燈作為泵浦光源。在750nm和810nm處有極強(qiáng)的發(fā)射譜線，這正好與Nd+3的吸收帶相匹配，是目前連續(xù)Nd+3：YAG激光器件較理想的匹配光泵。泵浦系統(tǒng)激勵(lì)E4E3E2E11.06um典型激光器--固體激光器2/2/2025103鈦寶石激光器鈦寶石激光器：是一種可調(diào)諧固體激光器，在660至1180nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)可連續(xù)可調(diào),多波長(zhǎng)輸出穩(wěn)定可靠應(yīng)用范圍：實(shí)用于激光光譜學(xué)、光化學(xué)、光生物學(xué)、分析和診斷等領(lǐng)域典型激光器--固體激光器2/2/2025104氦氖激光器在氣體激光器中，最常見的是氦氖激光器。世界上第一臺(tái)氦氖激光器是繼第一臺(tái)紅寶石激光器之后不久，于1961年在美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室里由伊朗物理學(xué)家賈萬制成的。特點(diǎn)：氦氖激光器的光束方向性和單色性好，可以連續(xù)工作主要用在全息照相、精密測(cè)量、準(zhǔn)直、定位等方面。氣體激光器工作物質(zhì)以氣態(tài)形式存在，泵浦方式多為氣體放電激勵(lì)。氦氖激光器的典型結(jié)構(gòu)示意圖典型激光器--氣體激光器2/2/2025105氦氖激光器能級(jí)圖E4E2E5E1E3HeE5E3激發(fā)態(tài)氦原子與基態(tài)氖原子發(fā)生共振能量轉(zhuǎn)移放電激勵(lì)Ne氖原子被激發(fā)至激發(fā)態(tài)632.8nm3.391um1.512um自發(fā)輻射無輻射躍遷典型激光器--氣體激光器2/2/2025106氦氖激光器中氣體氦的作用氦原子并不產(chǎn)生受激輻射，它的作用是提高泵浦效率氦原子的兩個(gè)重要特性使其極具價(jià)值：（1）直接激發(fā)氖原子效率很低，而直接激發(fā)氦原子的效率很高；（2）處于激發(fā)態(tài)的氦原子具有與激發(fā)態(tài)的氖原子極其接近的能級(jí)（E5)典型激光器--氣體激光器2/2/2025107氦原子的激發(fā)分兩步完成：（1）在一定的放電條件下，陰極發(fā)射的電子加速向陽極運(yùn)動(dòng)，這些電子與基態(tài)的氦原子相碰撞，將動(dòng)能轉(zhuǎn)移給它們使之激發(fā)至激發(fā)態(tài)；

(2）激發(fā)態(tài)的氦原子與基態(tài)的氖原子發(fā)生碰撞時(shí)，產(chǎn)生共振能量轉(zhuǎn)移，使大量的氖原子處于激發(fā)態(tài)；共振能量轉(zhuǎn)移碰撞截面隨對(duì)應(yīng)激發(fā)態(tài)能量差的減小而急劇增加.由此可見，氦原子參與激光躍遷，激光躍遷只發(fā)生于氖原子的個(gè)能級(jí)間，它的作用是極大地提高泵浦效率，可提高200倍！典型激光器--氣體激光器2/2/2025108譜線競(jìng)爭(zhēng)氦氖激光器可發(fā)射多條譜線，其中較為常用的為處于可見光譜區(qū)域的632.8nm的激光問題：632.8nm與3.39um的譜線具有相同的上能級(jí)，3.39um譜線的激射將導(dǎo)致632.8nm激光功率下降或不激射解決方法：（1）在